gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-02-224gscience-666Research ArticleENVIRONMENTAL PROTECTIONОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫPreparation of adsorbents for the extraction of heavy metals from mining wastewaterПолучение адсорбентов для извлечения тяжелых металлов из сточных вод горнорудной промышленностиhttps://orcid.org/0009-0003-4198-2274МирзаеваЕ. И.MirzaevaE. N.

Елена Иннокентьевна Мирзаева – PhD (техн.), доцент кафедры металлургии

г. Алмалык

Elena I. Mirzaeva – PhD (Eng.), Associate Professor of the Department of Metallurgy

Almalyk

mirzaevaelena92@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8513-6975ИсаеваН. Ф.IsaevaN. F.

Нурхон Фархатовна Исаева – PhD (техн.), докторант

г. Ташкент

Nurkhon F. Isaeva – PhD (Eng.), Doctoral Student

Tashkent

nurhonisaeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7921-2206ЯлгашевЭ. Я.YalgashevE. Ya.

Элмурод Яхшибой угли Ялгашев – докторант, старший научный сотрудник

г. Ташкент

Elmurod Ya. Yalgashev – Doctoral Student, Senior Researcher

Tashkent

 

chemyalgashev@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0000-3216-5801ТурдиеваД. П.TurdiyevaD. P.

Дилноза Пердеш қизи Турдиева – докторант, младший научный сотрудник

г. Ташкент

Dilnoza P. Turdiyeva – Doctoral Student, Junior Researcher

Tashkent

turdievadilnoza34@gmail.comБоймоновР. М.BoymonovR. M.

Руфатжон Машариф угли Боймонов – старший преподаватель кафедры машин и оборудования нефтегазовой промышленности и систем трубопроводного транспорта

г. Ташкент

Rufatjon M. Boymonov – Senior Lecturer of the Department of Machinery and Equipment of Oil and Gas Industry and Pipeline Transport Systems

Tashkent

rufatjonboymonov1992@gmail.comУниверситет науки и технологий МИСИС (филиал в г. Алмалыке)УзбекистанUniversity of Science and Technology MISIS (Almalyk branch)UzbekistanТашкентский научно-исследовательский химико-технологический институтУзбекистанTashkent Scientific Research Institute of Chemical TechnologyUzbekistanТашкентский химико-технологический институтУзбекистанTashkent Institute of Chemical TechnologyUzbekistanНациональный Университет Узбекистана имени Мирзо УлугбекаУзбекистанNational University of Uzbekistan named after Mirzo UlugbekUzbekistanТашкентский государственный технический университет имени Ислама КаримоваУзбекистанTashkent State Technical University named after Islam KarimovUzbekistan2025180420251014555Copyright © Mirzaeva E.N., Isaeva N.F., Yalgashev E.Y., Turdiyeva D.P., Boymonov R.M., 20252025Мирзаева Е.И., Исаева Н.Ф., Ялгашев Э.Я., Турдиева Д.П., Боймонов Р.М.Mirzaeva E.N., Isaeva N.F., Yalgashev E.Y., Turdiyeva D.P., Boymonov R.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/666

Mining and metallurgical operations are inextricably connected with the consumption of large volumes of water and, consequently, the generation of liquid waste. The priority is to solve the problems of treatment and rational reclaiming of process waters with high content of valuable components. This will make it possible to obtain a significant environmental and economic effect, i.e. to bring profit directly to enterprises, save material resources and reduce the environmental impact in mining regions. Processing of copper-zinc ores is accompanied by the formation of metal-bearing wastewater with a wide range of associated metals and nonmetals with low concentrations of each individual component and pH fluctuations within wide ranges. These factors make it difficult to select a rational treatment technology, so enterprises have to pay for excessive metal-bearing discharges into the environment. Heavy metals are toxic, do not undergo decomposition, can be accumulated by aquatic plants and reach a human body through the food chain. Centralized accumulation of accidental discharges, surface and drainage water with subsequent treatment for use in recycled water supply can solve a number of environmental problems in the field of water resources protection. Adsorption of heavy metals by zeolites produced from inexpensive clay minerals due to the simplicity of the process, possibility of zeolite regeneration, high efficiency in Cu2+, Zn2+ and Fe2+ ion exchange with release of non-toxic  Na+ cations into the environment is a good alternative to chemical precipitation. The purpose of this study is to optimize the conditions for producing zeolites from kaolin and bentonite with the assessment of the possibility of their use for the treatment of wastewater generated during mining and processing of ores from sulfide copper-polymetallic deposits. The technology of alkaline fusion of bentonite or kaolin with sodium hydroxide was used as a basis for zeolite synthesis from crude mining products. The novelty of the technological approach in obtaining zeolites from natural aluminosilicates in comparison with the published data is that the adjustment of the chemical composition of alkaline alloy for the synthesis of zeolites with a certain crystal structure was carried out using Al2O3–NaAlО2 waste suspension. The alkaline alloy was dissolved in water, filtered, and subjected to hydrothermal crystallization. The phase composition of the zeolite adsorbents was studied. Through studying the recovery of heavy metals from model solutions, the mass composition and conditions of alkaline fusion processes as well as the hydrothermal crystallization mode were optimized. The achieved metal recovery of 95% from the model solutions with initial concentration (mg/L): 150 Cu2+, 180 Zn2+ and 125 Fe2+ allowed to draw the conclusion that zeolites based on bentonite and kaolin can be used in the treatment of metal-bearing wastewater.

Деятельность горно-металлургических предприятий неразрывно связана с потреблением больших количеств воды и соответственно образованием жидких отходов. Приоритетным является решение проблем переработки и рациональной утилизации технологических вод с высоким содержанием ценных компонентов. Это позволяет получать значимый эколого-экономический эффект, то есть приносить прибыль непосредственно предприятиям, экономить материальные ресурсы и снижать нагрузку на окружающую среду в горнопромышленных регионах. Переработка медно-цинковых руд сопровождается формированием металлоносных потоков с широким спектром сопутствующих металлов и неметаллов с низкой концентрацией каждого отдельного компонента и колебаниями рН в широких пределах. Указанные факторы затрудняют выбор рациональной технологии очистки, поэтому предприятиям приходится платить за сверхнормативные металлоносные сбросы в окружающую среду. Тяжелые металлы токсичны, не подвергаются разложению, могут аккумулироваться водными растениями и по пищевой цепи достигать организма человека. Централизованная аккумуляция случайных сбросов, поверхностных и дренажных вод с последующей очисткой для использования в оборотном водоснабжении может решить ряд экологических задач в области охраны водных ресурсов. Адсорбция тяжелых металлов цеолитами на основе недорогих глинистых минералов благодаря простоте процесса, возможности регенерации цеолитов, высокой эффективности ионообмена Cu2+, Zn2+ и Fe2+ с выделением в окружающую среду нетоксичных катионов Na+ является хорошей альтернативой химическому осаждению. Целью настоящей работы является оптимизация условий получения цеолитов на основе каолина и бентонита для очистки сточных вод, образующихся при добыче и переработке руды медно-колчеданно-полиметаллических месторождений. За основу синтеза цеолитов из необогащенной продукции горнодобывающей отрасли принята технология щелочного сплавления бентонита или каолина с гидроксидом натрия. Новизной технологического подхода при получении цеолитов из природных алюмосиликатов по сравнению с опубликованными данными является то, что корректировку химического состава щелочного сплава для синтеза цеолитов с определенной кристаллической структурой осуществляли с помощью отходов суспензии Al2O3–NaAlО2. Щелочной сплав растворяли в воде, фильтровали и подвергали гидротермальной кристаллизации. Изучен фазовый состав цеолитных адсорбентов. В результате сравнения эффективности извлечения тяжелых металлов из модельных растворов оптимизированы состав массы и условия процессов щелочного плавления, а также режим гидротермальной кристаллизации. Благодаря достигнутой степени извлечения металлов на уровне 95 % из модельных растворов с начальной концентрацией, мг/л: 150 Сu2+, 180 Zn2+ и 125 Fe2+, цеолиты на основе бентонита и каолина могут быть использованы при очистке металлоносных вод.

рудапереработкаэкологиясточные водыочисткатяжелые металлыадсорбцияалюмосиликатыкаолинцеолитыбентонитыкристаллизациядифрактограммаУзбекистанАлмалыкский горно-металлургический комбинатoreprocessingecologywastewatertreatmentheavy metalsadsorptionaluminosilicateskaolinzeolitesbentonitescrystallizationdiffractogramUzbekistanAlmalyk mining and metallurgical combine (AMMC)ReferencesРастанина Н. К., Колобанов К. А. Воздействие техногенного пылевого загрязнения на экосферу и здоровье человека закрытого горного предприятия Приамурья. Горные науки и технологии. 2021;6(1):16–22. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-16-22Rastanina N.K., Kolobanov K.A. Impact of technogenic dust pollution from the closed mining enterprise in the Amur Region on the ecosphere and human health. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(1):16–22. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-1-16-22Зверева В. П., Фролов К. Р., Лысенко А. И. Формирование рудничных вод в Дальневосточном регионе России и их влияние на экосферу и здоровье населения. Горные науки и технологии. 2022;7(3):203–215. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-3-203-215Zvereva V. P., Frolov K. R., Lysenko A. I. Formation of mine drainage in the Far Eastern region and its impact on the ecosphere and public health. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(3):203–215. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-3-203-215Шадрунова И. В., Орехова Н. Н. Технологические и эколого-экономические аспекты ресурсосберегающей переработки техногенного гидроминерального сырья горных предприятий цветной металлургии. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(S1):177–191.Shadrunova I. V., Orekhova N. N. Technological and environmental and economic aspects processes for advanced recycling of water originating from mining operations, with recovery of heavy metals. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(S1):177–191. (In Russ.)Катаева С. Е., Шуляк Э. В., Брыль В. И., Чабан Н. Г. К вопросу о содержании тяжелых металлов в водной среде города Славутича. М.; 2000. С. 751–752.Kataeva S.E., Shulyak E. V., Bryl V. I., Chaban N. G. On the issue of heavy metal content in the aquatic environment of Slavutych city. Moscow; 2000. Pp. 751–752. (In Russ.)Файзиева М. Ф. К вопросу санитарной охраны водоёмов в условиях Узбекистана. Вестник науки и образования. 2016;(4):70–72.Fayzieva M. F. On the issue of sanitary protection of reservoirs in Uzbekistan. Vestnik Nauki i Obrazovaniya. 2016;(4):70–72. (In Russ.)Collins F., Rozhkovskayaa A., Outramb J. G., Millarb G. J. A critical review of waste resources, synthesis, and applications for Zeolite LTA. Microporous and Mesoporous Materials. 2020;291:109667. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.109667Collins F., Rozhkovskayaa A., Outramb J. G., Millarb G. J. A critical review of waste resources, synthesis, and applications for Zeolite LTA. Microporous and Mesoporous Materials. 2020;291:109667. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.109667Tasić Ž. Z., Bogdanović G. D., Antonijević M. M. Application of natural zeolite in wastewater treatment – A review. Journal of Mining and Metallurgy. 2019;55A(1):67–79 https://doi.org/10.5937/JMMA1901067TTasić Ž. Z., Bogdanović G. D., Antonijević M. M. Application of natural zeolite in wastewater treatment – A review. Journal of Mining and Metallurgy. 2019;55A(1):67–79 https://doi.org/10.5937/JMMA1901067TБелова Т. П., Ратчина Т. И., Гавриленко Ю. С. Адсорбция меди, никеля и кобальта натуральным цеолитом из водных растворов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;12:76–80.Belova T. P., Ratchina T. I., Gavrilenko Yu. S. Sorption of copper, nickel and cobalt by natural zeolite from aqueous solutions. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2014;12:76–80. (In Russ.)Milicevic S., Povrenovic D., Milosevic V., Martinovic S. Predicting the copper adsorption capacity on different zeolites. Journal of Mining and Metallurgy. 2017;53A(1):57–63.Milicevic S., Povrenovic D., Milosevic V., Martinovic S. Predicting the copper adsorption capacity on different zeolites. Journal of Mining and Metallurgy. 2017;53A(1):57–63.Srilai S., Tanwongwal W., Onpecth K. et al. Synthesis of Zeolite X from bentonite via hydrothermal method. Materials Science Forum. 2020;990:144–148. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.990.144Srilai S., Tanwongwal W., Onpecth K. et al. Synthesis of Zeolite X from bentonite via hydrothermal method. Materials Science Forum. 2020;990:144–148. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.990.144Ma H., Yao Q., Fu Y. et al. Synthesis of zeolite of type A from bentonite by alkali fusion activation using Na2CO3. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2009;49(2):454–458 https://doi.org/10.1021/ie901205yMa H., Yao Q., Fu Y. et al. Synthesis of zeolite of type A from bentonite by alkali fusion activation using Na2CO3. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2009;49(2):454–458 https://doi.org/10.1021/ie901205yBurоnоv F., Fayzullayev N. Synthesis and aррlicatiоn of high silicоn zeоlites frоm natural sources. In: AIP Conference Proceedings. The 1st International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science: ICPPMS-2021. 10–11 June 2021, Tashkent, Uzbekistan. 2022;2432:050004. https://doi.org/10.1063/5.0089557Burоnоv F., Fayzullayev N. Synthesis and aррlicatiоn of high silicоn zeоlites frоm natural sources. In: AIP Conference Proceedings. The 1st International Conference on Problems and Perspectives of Modern Science: ICPPMS-2021. 10–11 June 2021, Tashkent, Uzbekistan. 2022;2432:050004. https://doi.org/10.1063/5.0089557Jin Y., Li L., Liu Z. et al. Synthesis and characterization of low cost zeolite NaA from coalgangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 2021;32:791–801 https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.01.024Jin Y., Li L., Liu Z. et al. Synthesis and characterization of low cost zeolite NaA from coalgangue by hydrothermal method. Advanced Powder Technology. 2021;32:791–801 https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.01.024Kong D., Jiang R. Preparation of NaA Zeolite from High Iron and Quartz Contents Coal Gangue by Acid Leaching-Alkali Melting Activation and Hydrothermal Synthesis. Crystals. 2021;11(10):1198. https://doi.org/10.3390/cryst11101198Kong D., Jiang R. Preparation of NaA Zeolite from High Iron and Quartz Contents Coal Gangue by Acid Leaching-Alkali Melting Activation and Hydrothermal Synthesis. Crystals. 2021;11(10):1198. https://doi.org/10.3390/cryst11101198Ma H., Zhu H., Wu C. et al. Study on compressive strength and durability of alkali-activated coal gangue-slag concrete and its mechanism. Powder Technology. 2020;368:112–124. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.054Ma H., Zhu H., Wu C. et al. Study on compressive strength and durability of alkali-activated coal gangue-slag concrete and its mechanism. Powder Technology. 2020;368:112–124. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.04.054Kuroki S., Hashishin T., Morikawa T. et al. Selective synthesis of zeolites A and X from two industrial wastes: Crushed stone powder and aluminum ash. Journal of Environmental Management. 2019;231:749–756. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.082Kuroki S., Hashishin T., Morikawa T. et al. Selective synthesis of zeolites A and X from two industrial wastes: Crushed stone powder and aluminum ash. Journal of Environmental Management. 2019;231:749–756. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.082Koukouzas N., Vasilatos C., Itskosa G. et al. Removal of heavy metals from wastewater using CFB-coal fly ash zeolitic materials. Journal of Hazardous Materials. 2010;173(1–3):581–588 https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.126Koukouzas N., Vasilatos C., Itskosa G. et al. Removal of heavy metals from wastewater using CFB-coal fly ash zeolitic materials. Journal of Hazardous Materials. 2010;173(1–3):581–588 https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.08.126Hamadi A., Nabih K. Synthesis of zeolites materials using fly ash and oil shale ash and their applications in removing heavy metals from aqueous solutions. Hindawi Journal of Chemistry. 2018;2018(1):6207910. https://doi.org/10.1155/2018/6207910Hamadi A., Nabih K. Synthesis of zeolites materials using fly ash and oil shale ash and their applications in removing heavy metals from aqueous solutions. Hindawi Journal of Chemistry. 2018;2018(1):6207910. https://doi.org/10.1155/2018/6207910Somerset V., Petrik L., Iwuoha E. Alkaline hydrothermal conversion of fly ash filtrates into zeolites 2: Utilization in wastewater treatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2005;40(8):1627–1636. https://doi.org/10.1081/ESE-200060675Somerset V., Petrik L., Iwuoha E. Alkaline hydrothermal conversion of fly ash filtrates into zeolites 2: Utilization in wastewater treatment. Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2005;40(8):1627–1636. https://doi.org/10.1081/ESE-200060675Bessa R., Costa L., Oliveira C. et al. Kaolin-based magnetic zeolites A and P as water softeners. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;245:64–72. http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.03.004Bessa R., Costa L., Oliveira C. et al. Kaolin-based magnetic zeolites A and P as water softeners. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;245:64–72. http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.03.004Tayraukham P., Jantarit N., Osakoo N., Wittayakun J. Synthesis of pure phase NaP2 zeolite from the gel of NaY by conventional and microwave-assisted hydrothermal methods. Crystals. 2020;10(10):951. http://dx.doi.org/10.3390/cryst10100951Tayraukham P., Jantarit N., Osakoo N., Wittayakun J. Synthesis of pure phase NaP2 zeolite from the gel of NaY by conventional and microwave-assisted hydrothermal methods. Crystals. 2020;10(10):951. http://dx.doi.org/10.3390/cryst10100951Wajima T., Munakata K., Ikegami Y. Conversion of waste sandstone cake into crystalline zeolite X using alkali fusion. Materials Transactions. 2010;51(5):849–854. https://doi.org/10.2320/matertrans.MH200905Wajima T., Munakata K., Ikegami Y. Conversion of waste sandstone cake into crystalline zeolite X using alkali fusion. Materials Transactions. 2010;51(5):849–854. https://doi.org/10.2320/matertrans.MH200905Lee Y.-R., Soe J. T., Zhang S. et al. Synthesis of nanoporous materials via recycling coal fly ash and other solid wastes: A mini review. Chemical Engineering Journal. 2017:317;821–843. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.124Lee Y.-R., Soe J. T., Zhang S. et al. Synthesis of nanoporous materials via recycling coal fly ash and other solid wastes: A mini review. Chemical Engineering Journal. 2017:317;821–843. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.124Kunecki P., Panek R, Wdowin M. et al. Influence of the fly ash fraction after grinding process on the hydrothermal synthesis efficiency of Na-A, Na-P1, Na-X and sodalite zeolite types. International Journal of Coal Science & Technology. 2021;8(2):291–311 https://doi.org/10.1007/s40789-020-00332-1Kunecki P., Panek R, Wdowin M. et al. Influence of the fly ash fraction after grinding process on the hydrothermal synthesis efficiency of Na-A, Na-P1, Na-X and sodalite zeolite types. International Journal of Coal Science & Technology. 2021;8(2):291–311 https://doi.org/10.1007/s40789-020-00332-1Hu T., Gao W., Liu X. et al. Synthesis of zeolites Na-A and Na-X from tablet compressed and calcinated coal fly ash. Royal Society Open Science. 2017;4:170921. http://dx.doi.org/10.1098/rsos.170921Hu T., Gao W., Liu X. et al. Synthesis of zeolites Na-A and Na-X from tablet compressed and calcinated coal fly ash. Royal Society Open Science. 2017;4:170921. http://dx.doi.org/10.1098/rsos.170921Yang L., Qian X., Yuan P. et al. Green synthesis of zeolite 4A using fly ash fused with synergism of NaOH and Na2CO3. Journal of Cleaner Production. 2019;212:250–260. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.11.259Yang L., Qian X., Yuan P. et al. Green synthesis of zeolite 4A using fly ash fused with synergism of NaOH and Na2CO3. Journal of Cleaner Production. 2019;212:250–260. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.11.259Mallapur V. P., Oubagaranadin J. U. K. A brief review on the synthesis of zeolites from hazardous wastes. Transactions of the Indian Ceramic Society. 2017;76(1):1–13. https://doi.org/10.1080/0371750X.2016.1231086Mallapur V. P., Oubagaranadin J. U. K. A brief review on the synthesis of zeolites from hazardous wastes. Transactions of the Indian Ceramic Society. 2017;76(1):1–13. https://doi.org/10.1080/0371750X.2016.1231086Golbad S., Khoshnoud P., Abu-Zahra N. Hydrothermal synthesis of hydroxy sodalite from fly ash for the removal of lead ions from water. International Journal of Environmental Science and Technology. 2017;14(1):135–42. https://doi.org/10.1007/s13762-016-1133-xGolbad S., Khoshnoud P., Abu-Zahra N. Hydrothermal synthesis of hydroxy sodalite from fly ash for the removal of lead ions from water. International Journal of Environmental Science and Technology. 2017;14(1):135–42. https://doi.org/10.1007/s13762-016-1133-xShabani J. M., Omotola B., Oyekola O., Petrik L. Synthesis of hydroxy sodalite from coal fly ash for biodiesel production from waste-derived maggot oil. Catalysts. 2019;9(12):1052. https://doi.org/10.3390/catal9121052Shabani J. M., Omotola B., Oyekola O., Petrik L. Synthesis of hydroxy sodalite from coal fly ash for biodiesel production from waste-derived maggot oil. Catalysts. 2019;9(12):1052. https://doi.org/10.3390/catal9121052Василевский Б. Б., Ежков Ю. Б., Рахимов Р. Р. и др. Проблемы крупнообъемных месторождений золота и меди Узбекистана. Ташкент; 2012. 116 с.Vasilevsky B. B., Yezhkov Yu. B., Rakhimov R. R. et al. Problems of large-volume gold and copper deposits in Uzbekistan. Tashkent; 2012. 116 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.